خط ليمان ألفا

تندفع المرآة بسرعة تقارب أربعين ألف كيلومتر في الثانية، أي حوالي ثمن سرعة الضوء. الضوء الذي يسقط عليها يرتدّ عائدًا، لكنه لم يعد كما كان: يزداد تردده، تمامًا كما تكتسب الكرة المضروبة بمضرب أثناء طيرانها طاقة إضافية. هذه هي المرآة التي بناها العلماء داخل خيط زجاجي رفيع مملوء بالهيدروجين. أولًا، يُطلق نبض ليزر قوي داخل الخيط.

حافة الشمس تشبه هدبًا أشعث: منها تمتد صعودًا خيوط رفيعة من الغاز المتوهج — السبيكيولات، نوافير بلازما يبلغ ارتفاعها عدة آلاف من الكيلومترات. تنطلق هذه النوافير صعودًا بسرعة تبلغ حوالي 20 كيلومترًا في الثانية وتختفي خلال 5–10 دقائق.

السماء الليلية مليئة بالأضواء الخادعة. كان الفلكيون يبحثون عن مجرات تشكلت في أول مئات الملايين من السنين بعد الانفجار العظيم، وقد قطع ضوؤها إلينا ما يقرب من 13 مليار سنة. اختيرت ست بقع خافتة بناءً على صور التقطها التلسكوبان الفضائيان «هابل» و«سبيتزر». وُجّهت إليها شبكة أطباق ألما الراديوية العملاقة في صحراء أتاكاما التشيلية لالتقاط الحرارة الضعيفة للغبار البعيد.

عندما تولد النجوم في المجرة، تثير أشعتها فوق البنفسجية ذرات الهيدروجين، مما يجعلها تتوهج — كلافتة نيون، لكن على نطاق كوني. كان بإمكان هذا الضوء أن يخبرنا الكثير عن معدل تشكل النجوم، لكنه في طريقه إلينا يمر عبر الغبار الكوني — جسيمات صلبة مجهرية.

تخيّل ملعبًا ضخمًا مكتظًا بأشخاص يرتدون الأسود. أنت تقف في الخارج وتحاول أن تفهم ما يحدث في الداخل، رغم أنك لا ترى أي شخص. لكن إذا تصادم اثنان وتبادلا قمصانًا زاهية الألوان — ستلاحظ وميض اللون. هكذا بالضبط يبحث علماء الفلك عن المادة المظلمة — وهي شكل افتراضي من المادة لا يصدر ضوءًا ولا يمتصّه، لكنه يُظهر نفسه عبر الجاذبية.

يقول المثل: المصباح الساطع في الضباب الكثيف يبدو خافتًا، بينما يُرى ضوء صغير في الهواء الشفاف من مسافة كيلومتر. شذوذ مماثل حيّر علماء الفيزياء الفلكية قبل نصف قرن تقريبًا.

سافر ضوء الكوازار J0744+2052 نحونا قرابة 12 مليار سنة. في طريقه، صادف سحباً من الهيدروجين، التي انتزعت من طيفه خطوطاً منفردة — تماماً كما يمشط المشط الترددات الدقيقة. يطلق علماء الفلك على هذا المشهد اسم غابة لايمان-ألفا. ولكن في هذه الفوضى الظاهرية، برز نظام بشكل غير متوقع.

عالم تستمر فيه السنة يومًا ونصف فقط من أيام الأرض، ونجم في سمائه أكبر بمئات المرات من شمسنا. هذا هو KELT-9 b، عملاق غازي محمى إلى درجات حرارة تتبخر عندها الحديد. غلافه الجوي ليس مجرد سخونة، بل يغلي حرفيًا ويتسرب إلى الفضاء، مثل بخار فوق مرجل ضخم. حتى الآن، كان هذا الهروب يُلاحظ فقط من خلال الظل: ذرات الهيدروجين تمتص ضوء النجم عندما يمر الكوكب أمامه.

الكون ممتلئ بكتلة غير مرئية — المادة المظلمة، التي افترض وجودها لأول مرة فريتز زفيكي في ثلاثينيات القرن العشرين، عندما لاحظ حركة المجرات في العناقيد.

لأول مرة، تم تحويل ليزر مصنعي، يُستخدم في المصانع لقطع ولحام المعادن، إلى مسرّع جسيمات. أخذ الفيزيائيون ليزر إتيربيوم قياسيًا — قلبه بلورة بحجم كف اليد — وحوّلوا ومضاته إلى أداة لتسريع الإلكترونات حتى接近 سرعة الضوء. في السابق، كانت مثل هذه الحيلة تتطلب أنظمة ليزر فريدة بحجم غرفة كاملة، أما هنا فيكفي جهاز صناعي عادي.

في الفرن يُخبز رغيف ضخم من الخبز. داخل العجين توجد بقعة صغيرة جدًا وأكثر سخونة - هناك يبدأ نمو الرغيف المستقبلي. تقريبًا هكذا تعمل النواة الجزيئية الساخنة (منطقة بحجم النظام الشمسي، حيث يسخن الغاز إلى مئات الدرجات ويُضغط بمليارات المرات مقارنة بالسحب العادية). في داخلها يختبئ جنين نجم ضخم، ويحاول علماء الفلك النظر إلى هذا "الفرن" دون فتح بابه.

المادة المظلمة — مادة غير مرئية لا تكشف عن نفسها إلا من خلال تأثيرها الجاذبي: فهي تحني ضوء المجرات البعيدة، مثل نافذة خفية تغيّر مسار الأشعة. أول من أظهر وجودها بشكل مقنع كانت فيرا روبين، التي قاست سرعات دوران النجوم في المجرات واكتشفت أنها تتحرك بسرعة كبيرة — وكأن كتلة إضافية غير مرئية تمسك بها.

في قلب سحابة جزيئية، يولد نجم ضخم. ضوءه فوق البنفسجي يؤين الهيدروجين، فتتوهج السحابة في خط لايمان-ألفا. لكن بالنسبة للفوتون، هذا التوهج ليس تحرراً، بل سجن في متاهة مرايا. بعد انعكاسه عن الذرات ملايين المرات، يتحول إلى مدقة خفية قادرة على تشتيت كل ما حوله. تخيل قاعة بجدران مرآوية تماماً، مليئة بكرات البلياردو.

في سحابة كثيفة من الغاز والغبار، حيث تولد النجوم العملاقة، رصد تلسكوب ALMA شيئًا مألوفًا. أربع نفاثات غازية رفيعة تنطلق من المنطقة نفسها، وكل واحدة تترك خلفها سلسلة من العُقَد المضيئة — مثل خط متقطع. كل عقدة هي «طلقة» منفصلة: النجم يقذف الغاز ليس في تدفق منتظم، بل على دفعات مع فترات توقف. نفاثتان تنحنيان مثل حرف S.

فوق حافة القرص الشمسي تعلق سحابة من الغاز الساخن المخلخل — تُعرف بالبروتوبرانس (وهج شمسي). قد تظل معلقة لأسابيع، ثم تنفصل فجأة وتندفع إلى الفضاء. في 15 أبريل 2023، تمكنت أداة SPICE على المسبار Solar Orbiter من رصد مثل هذه السحابة بالتفصيل لأول مرة في الضوء فوق البنفسجي.

قام تلسكوب فيرمي على مدى 17 عاماً بتسجيل أشعة غاما الصادرة من النوى النشطة لـالمجرات التي تحتوي على ثقوب سوداء عملاقة في مركزها. يشبه توهج نفاثاتها نشازاً فوضوياً: فهو يتغير باستمرار.

عدسة ضخمة من الجاذبية كبّرت مجرة بعيدة، فأطلّ علماء الفلك على مطبخها الكيميائي. حصل تلسكوب ALMA في صحراء تشيلي على مستقبل جديد يلتقط موجات راديوية بترددات تتراوح بين 67 و116 غيغاهرتز — وكأن مستقبل الراديو تعلّم أخيرًا سماع نطاق كامل من المحطات دفعة واحدة.

يحول ليزر الألماس ما يقرب من نصف طاقة الضخ إلى ضوء أصفر ساطع — بكفاءة 47.7% وهي رقم قياسي لهذه الأجهزة. لكن الميزة الأساسية ليست في القدرة، بل في نقاء اللون الاستثنائي: الشعاع أحادي اللون لدرجة يمكن تشبيهه بآلة موسيقية تصدر نغمة واحدة دون أدنى ارتعاش.

استغرق ضوء المجرة البعيدة 13.4 مليار سنة ليصل إلينا. التقطه تلسكوب جيمس ويب وحلله إلى ألوان. في الطيف تظهر خط هيدروجين ساطع — مثل بصمة إصبع تقول: المجرة GS-z13-1-LA تولد النجوم بنشاط. النجوم الشابة الساخنة داخل المجرة تعمل مثل الكشافات. تصدر أشعة فوق بنفسجية تقتلع الإلكترونات من ذرات الهيدروجين المحيطة.

في الحقل الواسع COSMOS، حيث ترصد التلسكوبات آلاف المجرات البعيدة، وُجدت مجموعة خاصة: أربع تكثفات من المجرات الفتية تقع في منطقة من السماء بحجم عدة أقمار بدر. التكثف الرئيسي كثيف لدرجة أن عدد المجرات فيه يزيد أربع مرات عن المتوسط في السماء. هذه ليست عنقودًا مكتملًا، بل جنينه — عنقود أولي (protocluster)، حيث بدأت المجرات للتو في التجمع معًا.

مجرة بعيدة تولد فيها مئات النجوم يجب أن تتوهج بالأكسجين. هكذا اعتقد علماء الفلك: النجوم الشابة الساخنة تسخّن الغاز، فيصدر توهجًا مميزًا في الأشعة تحت الحمراء بطول موجة 63 ميكرون. هذا مثل البخار فوق قدر يغلي — علامة أكيدة على عملية عنيفة. لكن عندما وجّه تلسكوب ALMA هوائياته نحو اثنتي عشرة مجرة تبعد عنا 12–13 مليار سنة ضوئية، كانت الصورة معكوسة.

عندما ينفد الهيدروجين من نجمة مثل الشمس، تتمدد لتصبح عملاقًا أحمر، بينما يتراكم الهيليوم في نواتها. وفي لحظة ما، يشتعل الهيليوم — خلال ثوانٍ قليلة، تُطلق طاقة تعادل ما كانت النجمة تشعه على مدى آلاف السنين. وهذه هي ومضة الهيليوم. أثناء الومضة، ينشأ تدفق من النيوترينوات — وهي جسيمات لا تكاد المادة تعيقها.

في ليلة من عام 2008، اشتعل شيء فجأة في نواة المجرة البعيدة J1047+5907 في نطاق الأشعة السينية. هكذا تتصرف أحيانًا محيطات الثقوب السوداء الهائلة: سحابة غاز شديدة الحرارة فوقها تطلق فجأة تيارًا قويًا من الضوء. الثقب الأسود نفسه لا يصدر أي إشعاع، لكن محيطه يمكن أن يتوهج مثل لوحة إعلانية نيون.

مجرة تقترب من أخرى، مثل راقصين يتفرقان ثم يتجاذبان مجددًا. في لحظة الاقتراب الوثيق بشكل خاص، ينضغط غازهما، وينبعث ضوء فوق بنفسجي ساطع من الأعماق. هذا بالضبط ما يحدث في نظام خارا 11 — أقرب زوج من المجرات المندمجة إلينا، والذي يسمح بتسرب هذا الضوء إلى الخارج. بنى العلماء نموذجًا حاسوبيًا لهذه الرقصة لفهم كيفية نشوء هذا التسرب.

الضوء فوق البنفسجي بطول موجة يبلغ حوالي 300 نانومتر غير مرئي للعين، لكنه قادر على تدمير الحمض النووي للجراثيم، وإجبار بعض المواد على التوهج، ونقل المعلومات. حتى وقت قريب، كانت الليزرات في هذا النطاق ضخمة أو مكلفة أو قصيرة العمر.

الضوء الصادر عن النجوم الشابة الأكثر حرارة لا يمكنه عادةً مغادرة مجرته: يمتصه الهيدروجين، كما تحجب الستارة الكثيفة شعاع الشمس. لكن أحيانًا تنفتح الستارة قليلًا، وتندفع فوتونات الأشعة فوق البنفسجية إلى الفضاء بين المجرات.

بدأ ضوء المجرة PAN-z14-1 رحلته عندما كان عمر الكون 400 مليون سنة فقط — وهو، بمقاييس الكون، طور الطفولة. وبسبب توسع الفضاء، الذي يمدد موجات الضوء، استغرق هذا الضوء نحو 13.5 مليار سنة ليصل إلينا.

في 9 أكتوبر 2022، رصدت كواشف أرضية انفجار غاما بقوة غير مسبوقة. كان GRB 221009A شديد السطوع لدرجة أن إشعاعه أيّن الطبقات العليا من الأيونوسفير، بينما تعمّت أجهزة الأقمار الصناعية مؤقتًا. في طيف هذا الانفجار، ميّز علماء الفلك لأول مرة بشكل موثوق سلسلة من خطوط الانبعاث التي تغيّرت طاقتها مع الزمن وفق قانون أُسّي.

عالياً فوق القارة القطبية الجنوبية، رفع بالون جهازًا لالتقاط الإلكترونات القادمة من الفضاء. تصل هذه الجسيمات من انفجارات نجوم بعيدة وأحداث قوية أخرى. قام الجهاز بقياس طاقتها — أي قوة اصطدامها. وفي أحد نطاقات الطاقة، وُجد أن عدد الاصطدامات أكبر مما توقعته الحسابات. أظهر التحليل الأول للبيانات حدبة عريضة على الرسم البياني: كما لو كان هناك تيار إضافي في تدفق الجسيمات. الآن، تمت معالجة نفس البيانات مرة أخرى بطرق مختلفة.